复合材料在铁路集装箱制造中的应用探索

1.前言

集装箱运输在提高运输装卸效率，保证运输质量和保护生态环境等诸多方面具有突出的优越性，许多国家和地区都采取各种优惠措施不断扩大集装箱运输。我国的集装箱运输从20世纪50年代开始起步，目前已成为我国铁路货物运输的重要方式。

　　然而，在铁路集装箱制造方面，由于技术和试验手段落后，存在着品种单一，自重偏高等问题，在很长一段时间只能生产钢质与铝合金质的集装箱。近几年，快速发展的轻质，高强．高分子复合材料，以其具有高的比强度、好的疲劳性能、减振性能、耐化学腐蚀及耐热性能，并易于维修、清理等特点，引起各有关方面的高度重视。对铁路货运而言，一些易燃、怕湿、易腐蚀等货物特别适合使用复合材料的集装箱进行运输。

　　在集装箱制造使用的材料方面，曾出现过钢质箱、铝质箱和用合成材料制成的玻璃钢箱。由于我国复合材料研究工作起步相对较晚，使得复合材料的性能难以满足集装箱设计的要求，特别是刚度问题和自重的矛盾，大大制约了复合材料集装箱的研制。目前，我国复合材料研究取得了快速发展，生产工艺水平大大提高，复合材料板的强度和承载性能已经超过普通的合金钢(如16Mn钢)。以往复合材料存在的塑料老化、连接处强度削弱大的缺点已基本克服，复合材料产品在许多行业中得到推广应用。我国研制复合材料集装箱的外部条件已经成熟。

2　铁路集装箱应用复合材料的可行性

2.1　复合材料工业的发展

我国的复合材料研究起始于1958年。1961年研制成用于远程火箭的玻璃纤维酚醛树脂烧蚀防火弹头，1962年引进不饱和聚酯树脂、喷射成型和蜂窝夹层结构成型技术，并制造了玻璃钢的直升机螺旋桨叶和风洞叶片，同年开始纤维缠绕工艺研究并生产出批氧气瓶等压力容器。自20世纪70年代以后玻璃钢复合材料逐渐转向民用。1981年复合材料年产量为1.5万吨，到1986达到6.5万吨，年增长率为13％。1987年以后在国家改革开放政策指引下，大量引进国外先进技术，形成了研究、设计、生产及原材料相互配套的较为完整的工业体系。到1995年国内玻璃钢产量已达到16.5万吨，产品近2000种，机械化年生产能力达25万吨。我国的玻纤工业2001年总产量已达到27万吨。先进复合材料构件正在由次承力件向主承力件过渡。在成型工业方面，先进复合材料借助玻璃钢成型技术逐步实现由手糊到机械化、自动化的转变。
　　由于集装箱结构相对简单，玻璃纤维基复合材料(玻璃钢)完全能满足设计要求，而玻璃纤维基复合材料正是目前我国复合材料工业的重点产品。目前复合材料工业的发展水平，完全适应我国铁路集装箱制造的要求。

2.2　专用复合材料集装箱的研制

近几年，由于专业领域对集装箱的要求越来越高，特别是在航空领域，设计了一些专用集装箱。复合材料集装箱是以集装箱在腐蚀、磨损、冲击、载重、运输等复杂工况条件下长期使用为目的进行设计的，通过合理设计使集装箱具有适于运输的高比强度或高比模量的力学性能。复合材料集装箱的设计以材料设计为主线，功能设计、结构设计为重点，三者相互协调，同步进行。所用组分材料有增强材料、基体材料功能材料及辅助材料四类。增强材料有金属纤维(或金属层)，合成纤维，玻璃纤维；功能材料有耐磨、减摩、导热、导电、耐腐蚀功能填料及助剂等；基体材料主要选用环氧树脂和不饱和聚酯树脂；辅助材料为固化剂、促进剂、溶剂、增韧剂等。增强材料既发挥其力学性能，又同时发挥物理化学功能，从功能、结构两方面同时发挥纤维的作用。金属纤维具有高弹性模量、导电、导热、高硬度的特性；合成纤维则耐腐蚀、耐磨损、高延伸率、低密度；玻璃纤维强度高、硬度大、透微波。纤维的多种功能与功能填料助剂的合理配合使超混杂复合材料的设计有较大的自由度，多相材料复合的界面技术可使非均质纤维、微粒状组分材料与基体树脂可靠粘结，并使复合材料内部的应力平衡，以保持其良好的尺寸稳定性和成型工艺可行性。

　　设计的专用集装箱为空运集装箱，包括5 t集装箱和2.5 t集装箱两种型号，目前已经在军队物资空运中进行试用。采用复合材料设计的集装箱主要有以下几个特点。

　　(1)自重轻。以5 t集装箱为例，外部尺寸为2991 mm x 2238 mm x 2438 mm，原有铝合金结构集装箱设计自最达670 kg采用复合材料设计的集装箱自重仅500 kg。

　　(2)耐腐蚀、耐磨损、抗冲击。试验中，曾经将集装箱满载从1.5m高度自由跌落，箱体完好如初，各组成部分均为正常状态。

　　(3)可维修性好。试验中对集装箱进行人为破坏，用大锤将侧壁凿坏后进行修补，通过进行简单的粘接打磨，集装箱维修后除表面颜色略有差异外，整体性能未受影响。

 　 (4)中性价比较高。由于目前专用集装箱为试制产品，造价相对较高，比钢制集装箱高约30％，若批量生产，造价能有较大幅度降低。同时，由于维修养护费用相对较低，复合材料集装箱的总体性价比是较高的。

　　专用复合材料集装箱的研制成功，为复合材料集装箱在铁路货运中的应用，起到了技术储备及借鉴作用。

2.3　大型结构化通用程序的应用

近几年，大型结构化通用程序在新型结构设计中广泛使用，为复合材料集装箱设计提供了较好的设计平台。大型结构化通用程序设计复合材料集装箱的流程见图1。
      

大型结构化通用程序ANSYS中，包括复合材料单元，集装箱设计所采用的层合板单元，在该程序中也能够应用，这使得力学分析工作大大简化，为复合材料集装箱优化设计工作，提供了较好的设计平台。图2为用ANSYS分析得到的复合材料集装箱整体叉装变形云图。图3为该集装箱的整体吊装变形云图。此外还可以得到其应力云图，由于篇幅原因，不再列举。
           
                                                        

3　复合材料集装箱在铁路运输中存在的问题分析

(1)连接的可靠性问题。目前复合材料设计中，一般采用胶接与铆钉连接共同受力的连接方式，这种连接的可靠性虽然已经得到了其他行业的验证，但铁路运输有其环境和功能的特殊要求，其可靠性问题有待进一步验证。

　　(2)质晕监控问题。传统的质量监控手段对层合板结构的集装箱而言，很难保证其可行性。对金属结构的探索手段与控制指标，在复合材料施工中无法应用。因此，必须从规范入手，提供可供指导施工的质量保证大纲。

　　(3)温度及日晒。集装箱运输，不可避免地要裸露于外部环境中，而日晒和温度，特别是低温，对胶的性能影响较大，对此需要进行试验研究。

4　结束语

将复合材料集装箱应用于铁路货运中，既满足行业的发展需要：又节省大量的运输能源（复合材料自重仅为钢材的1／6左右)。开展复合材料在铁路集装箱制造中的应用研究，不仅能够进一步扩大新型复合材料的应用领域，也为铁路发展个性化专业运输起到积极的作用。现仅就复合材料应用于铁路集装箱的可行性进行了一些分析，以期能促进铁路集装箱研制工作的发展。